新教材高中物理必修一 3.4.2力的效果分解法和力的正交分解法

第2课时力的效果分解法和力的正交分解法[学习目标] 1.学会根据力的效果分解力.2.初步理解力的正交分解法.3.会根据不同给定条件分解力．一、按效果分解力导学探究1．如果不受限制，分解同一个力能作出多少平行四边形？有多少组解？答案无数个无数组2．已知合力F和两分力的方向(如图1)，利用平行四边形定则，能作多少平行四边形？两分力有几组解？图1答案1个1组3．如图2甲所示，小明用斜向上的力拉行李箱，其简化图如图乙所示，拉力会产生两个效果，如何分解拉力，写出两个分力大小．图2答案如图所示，F1＝F cos θ，F2＝F sin θ4．如图3，将一质量为m的木块放在倾角为θ的斜面上，木块的重力产生哪两个效果，如何分解重力，写出两个分力的大小．图3答案一个效果使木块沿斜面下滑，另一个效果使木块压紧斜面．G1＝mg sin θ，G2＝mg cos θ知识深化1．按效果分解(1)分解原则：根据力的作用效果确定分力的方向，然后再画出力的平行四边形．(2)基本思路2．两种常见典型力的分解实例实例分析地面上物体受到斜向上的拉力F可分解为水平向前的力F1和竖直向上的力F2，F1＝F cos θ，F2＝F sin θ放在斜面上的物体的重力产生两个效果：一是使物体具有沿斜面下滑的趋势；二是使物体压紧斜面；F1＝mg sin α，F2＝mg cos α如图4所示，一质量分布均匀的小球静止在固定斜面和竖直挡板之间，各接触面均光滑，小球质量为m＝100 g，按照力的效果作出重力及其两个分力的示意图，并求出各分力的大小．(g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)图4答案见解析图0.75 N 1.25 N解析把球的重力沿垂直于斜面和垂直于挡板的方向分解为力G1和G2，如图所示：G 1＝G tan 37°＝100×10－3×10×0.75 N ＝0.75 N ； G 2＝G cos 37°＝100×10－3×100.8N ＝1.25 N.在日常生活中，力的分解有着广泛的应用，如图5甲用斧子把木桩劈开，已知两个侧面之间的夹角为2θ，斧子对木桩施加一个向下的力F 时，产生了大小相等的两个侧向分力F 1、F 2，由图乙可得下列关系正确的是( )图5A ．F 1＝F 2＝F 2sin θB ．F 1＝F 2＝F2cos θC ．F 1＝F 2＝F2sin 2θD ．F 1＝F 2＝F2cos 2θ答案 A解析 根据力的平行四边形定则，力F 与它的两个分力如图所示，由几何关系知F 1＝F 2＝F2sin θ，故A 正确．二、力的正交分解法 1.力的正交分解法把力沿着两个经选定的互相垂直的方向分解的方法叫力的正交分解法． 如图6所示，将力F 沿x 轴和y 轴两个方向分解，则图6F x＝F cos αF y＝F sin α2．正交分解法求合力(1)建立直角坐标系：以共点力的作用点为坐标原点，直角坐标系x轴和y轴的选择应使尽量多的力在坐标轴上．图7(2)正交分解各力：将每一个不在坐标轴上的力分解到x轴和y轴上，并求出各分力的大小，如图7所示．(3)分别求出x轴、y轴上各分力的矢量和，即：F x＝F1x＋F2x＋…，F y＝F1y＋F2y＋….(4)求共点力的合力：合力大小F＝F2x＋F2y，设合力的方向与x轴的夹角为α则tan α＝F y F x.在同一平面内的三个力F1、F2、F3的大小依次为18 N、40 N、24 N，方向如图8所示，求它们的合力．(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)图8答案50 N，方向与F1相同解析建立直角坐标系，把F2分解F2x＝F2cos 37°＝32 NF2y＝F2sin 37°＝24 NF y＝F2y－F3＝0F x＝F2x＋F1＝50 N所以合力F＝F x＝50 N，方向与F1相同．如图9所示，甲、乙、丙三个物体质量相同，与地面间的动摩擦因数均相同，受到三个大小相同的作用力F，当它们滑动时，下列说法正确的是()图9A．甲、乙、丙所受摩擦力相同B．甲受到的摩擦力最大C．乙受到的摩擦力最大D．丙受到的摩擦力最大答案 C解析将甲、乙图中的F沿水平方向和竖直方向正交分解，则三个物体对地面的压力分别为F N甲＝mg－F sin θ，F N乙＝mg＋F sin θ，F N丙＝mg，因它们均相对地面滑动，由F f＝μF N知，F f乙>F f丙>F f甲，故C正确．三、力的分解中定解条件讨论把力按照题中给定的条件分解．若代表合力的对角线与给定的代表分力的有向线段能构成平行四边形(或三角形)，说明合力可以分解成给定的分力，即有解；若不能，则无解．常见的有几种情况．已知条件分解示意图解的情况已知两个分力的方向唯一解已知一个分力的大小和方唯一解向已知一个分力(F2)的大小①F2＜F sin θ无解和另一个分力(F1)的方向②F 2＝F sin θ唯一解③F sin θ＜F 2＜F两解④F 2≥F唯一解一个成人与一个小孩分别在河的两岸拉一条船，船沿河岸前进，成人的拉力为F 1＝400 N ，方向如图10所示(未画出小孩的拉力方向)，要使船在河流中平行于河岸行驶．求小孩对船施加的最小力F 2的大小和方向．图10答案 200 N 方向垂直于河岸解析 为使船在河流中平行于河岸行驶，必须使成人与小孩的合力平行于河岸方向，根据三角形定则，将F 2的起点与F 1的“箭头”相连，只要F 1的起点与F 2的“箭头”的连线落在平行于河岸的方向上，F 1、F 2的合力F 的方向就与河岸平行，如图所示，当F 2垂直于河岸时，F 2最小，得F 2min ＝F 1sin 30°＝400×12N ＝200 N.即小孩对船施加的最小力F 2的大小为200 N ，方向垂直于河岸．1．(力的效果分解)将处于静止状态的物体所受重力按力的效果进行分解，图中错误的是( )答案 C解析图C中重力的两个效果分别是使物体挤压斜面和竖直面，两分力应分别垂直于斜面和竖直面．2.(力的效果分解)如图11所示，小明在倾斜的地面上使用一台没有故障的体重秤，那么测出来的体重示数比他实际体重()图11A．偏大B．偏小C．准确D．不准确，但无法判断偏大还是偏小答案 B解析在倾斜的地面上使用一台体重秤测体重，该情景可简化为斜面模型，人站在斜面上，受到的支持力大小等于重力G垂直于斜面的分力，为G cos θ(θ为斜面的倾角)，故人对体重秤的压力大小等于G cos θ，该力小于重力，即测出的体重比实际体重小，选项B正确．3.(力的正交分解)如图12所示，重为30 N的物体A放于水平桌面上，现用大小为20 N、方向与水平方向成30°角的力拉物体A，物体A仍保持静止，则物体A对桌面的压力大小为()图12A．30 N B．20 N C．10 N D．0答案 B解析将拉力F沿水平方向和竖直方向分解，如图所示，则F2＝F sin 30°＝20×12N＝10 N，故桌面对A的支持力大小F N＝G－F2＝20 N，由牛顿第三定律知F N′＝F N＝20 N，B项正确．4．(力的分解的讨论)已知两个共点力的合力大小为50 N，分力F1的方向与合力F的方向成30°角，分力F2的大小为30 N，则()A．F1的大小是唯一的B．F2的方向是唯一的C．F2有两个可能的方向D．F2可取任意方向答案 C解析如图所示，以F的“箭头”为圆心，以F2的大小30 N为半径画一个圆弧，与F1所在直线有两个交点，因此F2有两个可能的方向，F1的大小有两个可能的值，C正确．考点一按效果分解力1．如图1，将F沿水平和竖直方向分解，则其竖直方向的分力为()图1A．F sin θB．F cos θC.Fsin θ D.Fcos θ答案 A解析将F按作用效果分解为水平方向和竖直方向的分力，根据平行四边形定则，竖直方向上的分力为F sin θ，故A正确，B、C、D错误．2.如图2，静止在斜面上的重物的重力可以分解为沿斜面方向向下的分力F1和垂直于斜面方向的分力F2，关于这两个分力，下列说法正确的是()图2A．F1作用在物体上，F2作用在斜面上B．F2的性质是弹力C．F2就是物体对斜面的正压力D．F1和F2是与物体的重力等效的力，实际存在的就是重力答案 D解析物体受重力、支持力与摩擦力．而F1、F2是重力的两个分力，实际不存在，物体实际受到的就是重力，作用在物体上，所以A错误，D正确；F2是使物体紧压斜面的分力，不是物体对斜面的正压力，根据平衡条件，F2与斜面对物体的支持力相等，所以B、C错误．3.小明想推动家里的衣橱，但使出了很大力气也推不动，他便想了个妙招，如图3所示，用A、B两块木板，搭成一个底角较小的人字形架，然后往中央一站，衣橱居然被推动了！下列说法正确的是()图3A．这是不可能的，因为小明根本没有用力去推衣橱B．这是不可能的，因为无论如何小明的力气也没那么大C．这有可能，A板对衣橱的推力有可能大于小明的重力D．这有可能，但A板对衣橱的推力不可能大于小明的重力答案 C解析由小明所受重力产生的效果分解，小明的重力可分解为沿两个木板方向的分力，由于两个木板夹角接近180°，根据平行四边形定则，可知分力远大于小明的重力，选项C正确．4.(2019·沈阳市期中)如图4所示为斧头劈柴的剖面图，BC边为斧头背，AB、AC边为斧头的两刃面．要使斧头更容易劈开木柴，需要()图4A．BC边短一些，AB边也短一些B．BC边长一些，AB边短一些C．BC边短一些，AB边长一些D．BC边长一些，AB边也长一些答案 C解析如图所示，斧头对木柴的作用力按力的作用效果可分解为对木柴两端的两个压力，两压力大小相等、与斧头的AB、AC边相互垂直，由几何关系可知，当BC边短一些，AB边长一些时，两力之间的夹角更大，则在合力不变的情况下两分力更大，即斧头更容易劈开木柴，C正确，A、B、D错误．考点二力的正交分解5.如图5所示，物块m静止于一斜面上，斜面固定．若将斜面的倾角θ稍微增大一些，物块m仍静止在斜面上，则()图5A．斜面对物块的摩擦力变小B．斜面对物块的摩擦力变大C．斜面对物块的支持力变大D．物块所受的合外力变大答案 B解析物块m静止不动，受力平衡，可对物块受力分析：重力mg、支持力F N和摩擦力F f，将重力G沿平行斜面方向和垂直斜面方向分解，由平衡条件得知：F N＝mg cos θF f＝mg sin θ则知，θ稍微增大一些，F N变小，F f变大，故A、C错误，B正确；物块m始终静止在斜面上，合力始终为零，故D错误．6.(多选)如图6所示，质量为m的物体放在水平桌面上，在与水平方向成θ角的拉力F作用下保持静止，已知物体与桌面间的动摩擦因数为μ，下列判断正确的是()图6A．物体对地面的压力为mgB．物体受到地面的支持力为mg－F sin θC．物体受到的摩擦力为FD．物体受到的摩擦力为F cos θ答案BD解析对物体受力分析，如图所示：物体对地面的压力与地面对物体的支持力是作用力与反作用力，而支持力F N＝mg－F·sin θ，故A错误，B正确；物体受到的摩擦力为F f＝F cos θ，故C错误，D正确．考点三力的分解的讨论7.如图7所示，将一个已知力F分解为F1和F2，已知F＝10 N，F1与F的夹角为37°，则F2的大小不可能是(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)()图7A．4 N B．6 NC．10 N D．100 N答案 A解析根据力的合成与分解，只有当F2与F1垂直时，F2最小，此时F2＝F sin 37°＝10×0.6 N ＝6 N，所以不可能是4 N，故选A.8．将力F分解成F1和F2，若已知F1的大小以及F2与F的夹角θ(θ为锐角)，则错误的是() A．当F1<F sin θ时，无解B．当F1＝F sin θ时，有一解C．当F<F1时，有一解D．当F1>F sin θ时，有两解答案 D解析F1<F sin θ时，分力和合力不能构成三角形，无解，故A正确．当F1＝F sin θ时，两分力和合力恰好构成三角形，有唯一解，故B正确．当F>F1>F sin θ时，根据平行四边形定则，有两组解；若F1>F，只有一组解，故C正确，D 错误．9.如图8所示，轻杆OB左端用铰链与墙连接，与竖直方向的夹角为θ，右端用轻绳与墙连接，轻绳OA水平，质量为m的物体悬挂在O点，设轻绳OA和轻杆OB作用于O点的弹力分别为F1和F2，以下结果正确的是()图8A．F1＝mg sin θB．F1＝mgsin θC．F2＝mg cos θD．F2＝mgcos θ答案 D解析mg可分解为沿绳向外的分力和沿杆斜向下的分力，如图所示，则F1＝mg tan θ，F2＝mgcos θ，故选D.10.如图9所示，将绳子的一端系在汽车上，另一端系在等高的树干上，两端点间绳长为10 m．用300 N的拉力把水平绳子的中点往下拉离原位置0.5 m，不考虑绳子的重力和绳子的伸长量，则绳子作用在汽车上的力的大小为()图9A ．1 500 NB ．6 000 NC ．300 ND ．1 500 3 N答案 A解析 由题意可知绳子与水平方向夹角的正弦值为sin α＝0.55＝0.1，所以绳子的作用力为F绳＝F2sin α＝1 500 N ，A 项正确，B 、C 、D 项错误．11.如图10所示，用绳AB 和BC 吊起一重物P 处于静止状态，AB 绳与水平面间的夹角为53°，BC 绳与水平面的夹角为37°.求：当所挂重物质量为10 kg 时，AB 绳、BC 绳上的拉力各为多大？(g 取10 m/s 2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)．图10答案 80 N 60 N解析 结点B 受到三根绳子的拉力处于平衡状态，BP 绳的拉力等于重物的重力mg ，如图所示，根据力的分解可得：F AB ＝mg cos 37°＝10×10×0.8 N ＝80 N F BC ＝mg sin 37°＝10×10×0.6 N ＝60 N.12.如图11所示，在水平地面上用绳子拉一质量m ＝46 kg 的箱子，绳子与地面的夹角为37°，拉力F ＝100 N 时箱子恰好匀速移动．g ＝10 m/s 2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8.求：图11(1)箱子所受的摩擦力大小；(2)地面和箱子之间的动摩擦因数．答案(1)80 N(2)0.2解析(1)以箱子为研究对象，受力分析如图，水平方向所受合力为零：F cos 37°－F f＝0代入数据解得：F f＝80 N(2)竖直方向所受合力为零：F N＋F sin 37°－mg＝0代入数据解得：F N＝400 N由F f＝μF N＝0.2.可得：μ＝F fF N13．(2019·西安一中模拟)如图12所示是扩张机的原理示意图，A、B为活动铰链，C为固定铰链，在A处作用一水平力F，滑块就以比F大得多的压力向上顶物体D，已知图中2l＝1.0 m，b＝0.05 m，F＝400 N，滑块与左壁接触，接触面光滑，则D受到向上顶的力为(滑块和杆的重力不计)()图12A．3 000 N B．2 000 N C．1 000 N D．500 N答案 B解析将力F按作用效果沿AB和AC两个方向进行分解，作出力的分解图如图甲所示．则有2F1cos α＝F，则得F1＝F2＝F2cos α再将F1按作用效果分解为F N和F N′，作出力的分解图如图乙所示．则有F N＝F1sin α，联立得F N＝F tan α2根据几何知识得tan α＝l＝10b得F N＝5F＝2 000 N，故选项B正确．。